CN107331602A - 一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其中包括：步骤一、提供金刚石基底；步骤二、使用氢等离子体处理金刚石基底表面，形成氢等离子体处理层；步骤三、将步骤二形成的器件置于混合气体氛围，其中混合气体氛围使步骤二形成的器件表面空穴浓度增加；步骤四、淀积氧化物层并光刻出栅介质层；步骤五、在步骤四形成的器件上生长源/漏极电极金属；步骤六、在步骤五形成的器件上生长栅电极金属。本发明能够提高氢终端金刚石表面空穴浓度，适用于提升氢终端金刚石基底场效应晶体管性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子与纳米电子器件技术领域，尤其涉及一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法。
背景技术
随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，主流硅基材料与CMOS技术正发展到10纳米工艺节点而很难继续提升。目前，金刚石因其优良的特性被认为是新一代集成电路半导体材料。金刚石具有超宽的禁带宽度(5.7eV)、极高的导热率(2000w/(m·k))、大的击穿电场(10MV/cm)以及高的载流子(电子和空穴)迁移率，在高频、大功率和光学元件中有广泛应用前景。
但是，一方面金刚石的后期掺杂工艺会造成晶格损伤，使其性能严重退化，甚至是石墨化；另一方面，掺杂较高的载流子激活能造成掺杂后的金刚石半导体难以形成有效掺杂，在室温下展现出的导电性也不理想。这种现象阻碍了金刚石材料的开发和有效利用。
在现有技术中，可以将金刚石材料进行处理，使金刚石表面发生化学反应，得到高空穴浓度的薄层，从而作为导电沟道制备场效应晶体管的方法。但这种处理方式得到的金刚石表面的空穴浓度较低，仅有1012/cm2到1013/cm2，因此晶体管的沟道导电能力不足，这严重影响了晶体管的性能，降低了金刚石晶体管的工作效率。
因此，亟需一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法，从而提高晶体管的导电性能。
发明内容
本发明提供的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，能够针对现有技术中金刚石材料空穴浓度低的不足，提高金刚石材料表面的空穴浓度。
第一方面，本发明提供一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其中包括：
步骤一、提供金刚石基底；
步骤二、使用氢等离子体处理所述金刚石基底表面，形成氢等离子体处理层；
步骤三、将所述步骤二形成的器件置于混合气体氛围，其中所述混合气体氛围使所述步骤二形成的器件表面空穴浓度增加；
步骤四、淀积氧化物层并光刻出栅介质层；
步骤五、在所述步骤四形成的器件上生长源/漏极电极金属；
步骤六、在所述步骤五形成的器件上生长栅电极金属。
可选地，上述混合气体为N2和NO2的混合气体。
可选地，上述混合气体中NO2的比例为2％-5％。
可选地，上述步骤三在所述混合气体中的处理时间为10-50h。
可选地，上述步骤二使用微波溅射工艺形成所述氢等离子体处理层，或者在氢气和氨气的混合气体以及高温环境下形成所述氢等离子体处理层。
可选地，上述步骤二中的所述金刚石基底在所述氢等离子体处理前进行高温酸煮。
可选地，上述高温算珠使用加热的混合浓酸溶液。
可选地，上述高温酸煮还包括在氮气和氢气的混合气体中的持续加热处理。
可选地，上述步骤一中还包括对所述金刚石进行清洗。
可选地，上述源/漏电极及所述栅电极材料为Al、Ti、Au、Cr、Pd或Pt。
本发明实施例提供的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，能够提高氢终端处理金刚石表面的空穴浓度，以提高薄层的导电能力，从而提升氢终端处理金刚石基底场效应晶体管的性能。
附图说明
图1a-1f为本发明一实施例的制备氢终端金刚石表面稿空穴浓度的场效应晶体管的工艺流程的结构示意图；
图2为本发明一实施例提高氢终端金刚石表面空穴浓度的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法，如图1a所示，提供金刚石基底110。特别的，可以金刚石基底110进行清洗，所述金刚石基底110的清洗方法包括但不限于在丙酮溶液中进行超声清洗，然后依次使用无水乙醇和去离子水清洗，然后用N2吹干。
如图1b所示，采用氢等离子体处理金刚石基底110。具体的，可以利用微波氢等离子溅射工艺处理金刚石基底110，在金刚石基底110表面形成氢等离子处理层120。特别的，在氢等离子体溅射工艺处理中微波功率8kW，氢气气压8.5kPa，在800℃下处理10min。
可选的，可以将经高温酸煮后的金刚石基底110放置在氢气和氨气的混合气氛下进行高温处理，得到氢终端处理的金刚石基底110表面的氢等离子处理层120。特别的，高温酸煮是将金刚石基底110放在体积比1:3的HNO3/H2SO4混合浓酸溶液中，加热到300℃并保持1小时，后在H2和NH3混合气体中高温1250℃处理5min。
特别的，金刚石基底110表面的氢等离子处理层120的空穴浓度约为1012-1013/cm2，厚度约为10nm。
如图1c所示，将经过氢等离子体处理后的金刚石基底放置在NO2和N2的混合气体气氛中。特别的，在上述NO2和N2的混合气体中，NO2比例为2％到5％之间。特别的，在NO2和N2的混合气体气氛中处理的时间为10-50h之间。NO2分子具有较强的电子吸附性，当NO2气体吸附在上述经过氢等离子处理层的表面，会发生表面的氧化还原反应。NO2一部分会夺走材料表面的电子，使得材料表面的氧负离子增加，使得材料的空穴浓度增加，参见式(1)；
NO2(g)+e - →NO(g)+Osurf- (1)
另一部分会和材料表面吸附形成的氧负离子结合，见式(2)：
Osurf- +NO2→NO(g)+O2 (2)
使得材料表面的化学平衡打破，式(1)和式(2)的反应向右进行，使得材料失去更多电子，形成更多空穴，从而使得空穴载流子浓度升高和载流子迁移率的变大。
如图1d所示，淀积氧化物后光刻出栅介质层140。栅介质层140优选宽禁带和高介电常数的氧化物。具体地，栅介质层可以通过PVD、CVD、ALD、PLD、MOCVD、PEALD、溅射、分子束淀积(MBE)或其他合适淀积的方法形成。典型的，栅介质层140可以是单层介质层，如SiO2、Al2O3等常规介质层。典型的，栅介质层140可以是高K介质层，如HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al2O3、Ta2O5、La2O3、ZrO2、LaAlO等。典型的，栅介质层140可以是多种材料组成的复合介质层，如HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al2O3、Ta2O5、La2O3、ZrO2、LaAlO中几种的组合等，例如Al2O3和Ta2O5的组合、Al2O3和HfO2的组合。典型的，栅介质层140还包括其他用于制作场效应晶体管栅介质层的材料。栅介质层的厚度可以是但不限于1nm-3nm之间。
如图1e所示，在器件上生长源极电极金属131和漏极电极金属132。源漏电极金属层包括但不限于高功函数的惰性金属材料，如Ti、Au、Cr、Pd、Pt等。特别的，源漏电极金属层可以通过电子束蒸发进行沉积，沉积厚度可以包括但不限于2-200nm。
如图1f所示，在器件上生长栅电极金属150。栅电极金属层150包括但不限于采用Al、Ti、Au、Cr、Pd、Pt等金属材料。特别的，栅电极金属层150可以通过电子束蒸发进行沉积，沉积厚度可以包括但不限于2-400nm。
图2示出了本发明一个实施例的金刚石基底场效应晶体管的制备方法流程图。如图所示，S21为提供金刚石基底；S22为使用氢等离子体处理金刚石基底表面；S23为将经过氢等离子体处理后的金刚石基底放置在NO2和N2的混合气体气氛中；S24为在器件上淀积氧化物并光刻出栅介质层；S25为在器件上生长源/漏极电极金属；S26为在器件上生长栅电极金属。
本发明提供的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，能够提高氢终端金刚石表面空穴浓度，并且本发明提供的金刚石材料表面空穴浓度提高方法能够与传统微电子制备工艺兼容，步骤简单，节约成本，适用于提升氢终端金刚石基底场效应晶体管性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，包括：
步骤一、提供金刚石基底；
步骤二、使用氢等离子体处理所述金刚石基底表面，形成氢等离子体处理层；
步骤三、将所述步骤二形成的器件置于混合气体氛围，其中所述混合气体氛围使所述步骤二形成的器件表面空穴浓度增加；
步骤四、淀积氧化物层并光刻出栅介质层；
步骤五、在所述步骤四形成的器件上生长源/漏极电极金属；
步骤六、在所述步骤五形成的器件上生长栅电极金属。
2.根据权利要求1所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述混合气体为N2和NO2的混合气体。
3.根据权利要求2所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述混合气体中NO2的比例为2％-5％。
4.根据权利要求2所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述步骤三在所述混合气体中的处理时间为10-50h。
5.根据权利要求1所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述步骤二使用微波溅射工艺形成所述氢等离子体处理层，或者在氢气和氨气的混合气体以及高温环境下形成所述氢等离子体处理层。
6.根据权利要求5所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述步骤二中的所述金刚石基底在所述氢等离子体处理前进行高温酸煮。
7.根据权利要求6所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述高温算珠使用加热的混合浓酸溶液。
8.根据权利要求6所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述高温酸煮还包括在氮气和氢气的混合气体中的持续加热处理。
9.根据权利要求1所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述步骤一中还包括对所述金刚石进行清洗。
10.根据权利要求1所述的金刚石材料表面空穴浓度提高方法，其特征在于，所述源/漏电极及所述栅电极材料为Al、Ti、Au、Cr、Pd或Pt。
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